铝合金增材制造及再制造技术研究.pdf

中国科技期刊数据库 工业 A 收稿日期：2024 年 01 月 02 日 作者简介：栗智（1992），女，满族，吉林辽源人，硕士研究生学历，工程师，研究方向为机械制造技术。-202-铝合金增材制造及再制造技术研究 栗 智 南京航健航空装备技术服务有限公司，江苏 南京 210000 摘要：摘要：随着工业技术的不断发展和制造业的日益繁荣，铝合金作为一种轻质、高强度、耐腐蚀的先进材料，在航空航天、汽车制造、能源等领域得到了广泛应用。然而，随着使用时间的推移，铝合金零部件难免会因损伤、磨损或腐蚀等原因而导致性能下降，甚至使其失效。为了有效延长铝合金零部件的寿命、降低维护成本，并适应快速变化的市场需求，铝合金增材制造及再制造技术应运而生。基于此，本文将深入分析铝合金增材制造及再制造技术，以期为制造业迈向数字化、柔性化提供强有力的支持。关键词：关键词：铝合金增材制造；再制造技术；激光增材制造技术 中图分类号：中图分类号：TG659 0 引言 铝合金增材制造技术，作为一种先进的制造方法，通过逐层堆积材料，实现对零部件的高效、精密制造。与传统的切削加工相比，增材制造不仅节省原材料，还能够制造出更为复杂的结构，为工业制造带来了全新的可能性。同时，铝合金在使用过程中难免会受到损伤，因此，再制造技术的研究对于提高材料的寿命、降低成本具有重要意义。1 铝合金增材制造技术分析 1.1 激光增材制造铝合金技术 激光增材制造技术作为一种先进的整体加工技术，在铝合金领域展现出了卓越的应用潜力，该技术采用激光作为高能热源，通过逐层堆积熔化粉末或丝材，实现对铝合金零部件的高精度制造。激光增材制造技术的应用涉及到多个方面，包括材料选择、工艺参数优化以及性能提升等，为铝合金制造带来了新的发展机遇。激光增材制造技术在提高铝合金零部件性能方面发挥了重要作用。通过激光增材制造，铝合金零部件的晶相组织可以被精确调控，实现优异的力学性能。研究表明，激光扫描过程中晶相组织存在各向异性的特点，这为定向调控零部件的性能提供了可能性。例如，在 AlSi10Mg 合金的增材制造过程中，晶相组织在激光扫描上呈现各向异性，而抗拉强度在垂直于激光选区熔化方向优于平行于方向，这表明通过激光增材制造可以实现零部件性能的定向提升。此外，采用激光增材制造技术，成形的铝合金构件致密度可达 100%，表面光滑，无微裂纹，这保证了零部件的整体品质。同时，激光增材制造还能够降低热影响区，减少变形和残余应力，有效提高零部件的品质。图 1 AlSi10Mg 成形件 在实际应用中，激光增材制造铝合金技术不仅适用于一般结构零部件的制造，还在实现特殊功能的零部件方面表现出独特优势。通过对不同种类铝合金粉末的研发，例如 AlSi10Mg 和 AlMgScZr 激光增材制造专用铝合金粉末，可以调整材料组织和粒度，改善增材制造效果，使铝合金的激光增材制造逐渐迈向实用化阶段。通过实验结果显示，AlSi10Mg 成形件的综合力学性能相比铸造合金提高 20%以上（如图 1 所示），而 AlMgScZr 生成强化相，可以显著提升综合力学性能（如图 2 所示）。1.2 电弧增材制造铝合金技术 电弧增材制造技术作为一种以电弧为热源、焊丝中国科技期刊数据库 工业 A-203-为填充材料，通过逐层堆积实现铝合金零部件制造的先进技术，正逐渐崭露头角，这一技术以其成形速率快、材料浪费率低、成形尺寸范围广等优点，为铝合金制造领域带来了新的发展机遇。电弧增材制造技术在成形速率上具有明显优势。通过以电弧为热源，焊丝为填充材料，能够在相对较短的时间内完成铝合金零部件的制造，这使得电弧增材制造技术在满足大批量生产需求的同时，能够保持高效的生产速度，为制造业提供了更快捷的解决方案。同时，电弧增材制造技术的材料浪费率低，具有环保和经济的优势。相较于传统的切削加工方式，电弧增材制造技术可以更加精准地将材料添加到需要的位置，减少了浪费，这不仅有助于提高铝合金的利用率，还符合可持续发展的理念，对于资源的合理利用起到了积极作用。图 2 AlMgScZr 成形件 此外，电弧增材制造技术能够获得具有优异性能的铝合金零部件。通过对成形工艺参数的优化，可以实现铝合金零部件的表面光滑、几何形状精准、结合性能良好等优点。研究结果表明，在电弧增材制造的过程中，通过合理调节保护气流量、焊丝干伸长度、送丝速度等参数，可以获得更为理想的成形效果，这为实现铝合金零部件的高品质制造提供了可行性。1.3 电子束增材制造铝合金技术 电子束增材制造技术作为一种与激光增材制造技术相近的先进制造方法，具有逐层累加原材料从而制造三维结构零件的特点。虽然电子束增材制造技术主要应用于高价值结构件材料，如钛合金和钴铬合金，但在铝合金领域的研究逐渐引起关注。电子束增材制造铝合金技术在组织结构方面具有独特优势。相关研究人员利用 2319 铝合金焊丝在 2219铝合金基板上进行电子束增材制造，并对增材件的组织及力学性能进行了深入分析。通过典型组织结构（如图 3 所示）的观察，发现在电子束增材制造的过程中，基本看不到气孔缺陷，这得益于电子束增材制造在真空环境下进行，避免了外部环境对材料的影响，有利于气孔的溢出。此外，组织中存在粗大的胞状晶向柱状晶再向细小的等轴晶的转变过程，这是增材制造典型的组织转变。然而，由于散热及元素偏析，粗大的胞状晶成为增材件的薄弱区域，易成为拉伸断裂的位置，因此在电子束增材制造过程中需要更加精细的组织控制。图 3 2219 铝合金电子束增材典型组织图 在实际应用中，电子束增材制造铝合金技术的优势不仅体现在制造工艺的灵活性上，还表现在最终产品的性能优越性方面，其高度定制化的特性使得铝合金零部件的设计更加灵活，可以根据具体需求精确调控组织结构，实现更好的力学性能。此外，通过克服传统制造方法中的一些限制，电子束增材制造技术还有望在铝合金领域创造出更为复杂和具有特殊功能的零部件。1.4 激光-电弧复合增材制造铝合金技术 激光-电弧复合增材制造技术是一种集成了激光增材制造和电弧增材制造两种先进制造技术的复合方法，具有高效、精密、多功能的特点。在铝合金领域的应用中，这一技术展现出了卓越的潜力，为铝合金零部件的制造提供了诸多可能。激光-电弧复合增材制造技术在成形速率和效率上取得了显著突破。通过同时采用激光和电弧两种能中国科技期刊数据库 工业 A-204-量源，实现对铝合金的高效加工。激光增材制造技术以其高能量密度和精密加工特性，可以在较短时间内完成对铝合金的局部熔化和堆积，实现快速成型。而电弧增材制造技术则通过焊丝的熔化和堆积，为激光增材提供了可靠的支撑和补充，这种复合方式不仅大大提高了成形速率，也保证了成形品质和精度。与此同时，在激光增材制造过程中，由于其高精度的焊接特性，可以更精准地控制材料的添加，减少浪费，这有助于降低制造成本，符合可持续发展的经济原则。此外，激光-电弧复合增材制造技术具有更灵活的设计能力。通过合理控制激光和电弧的工艺参数，可以实现对铝合金零部件的复杂结构、内部空腔和表面形貌的精准控制，这为设计更具创新性、适应性和复杂性的零部件提供了技术支持。1.5 冷喷涂增材制造铝合金技术 冷喷涂技术是在燃气速度高于声速时，将粉末材料通过气流喷至被加工物体表面形成涂层的一种喷涂技术。在增材制造领域中，冷喷涂技术可将金属和陶瓷等粉末材料制造成具有精细结构和优异性能的3D打印零件。冷喷涂增材制造是一种新型固态增材制造技术，逐渐引起了学术界和工业界的广泛关注。作为增材制造家族的新成员，冷喷涂具有生产时间较短、产品尺寸无限制、热效应较低和灵活性较高等独特优势，它通过高速高压气体（氮气、氦气、空气或它们混合气体等）带动粉末颗粒（微米或亚微米级）在完全固态下高速撞击基体，发生塑性变形产生结合，从而可以制造出独立的金属零件，并恢复受损的金属零件。冷喷涂增材制造铝合金技术具有许多优点：首先，喷涂速度快，可达 3kg/h，沉积效率高，可达 80%；其次，涂层化学成分以及显微组织结构可与原材料保持一致，基本不存在氧化、合金成分烧损等问题；此外，对基体热影响小，具有稳定的相结构和化学成分，喷涂损失小；涂层外形与基体表面形貌保持一致，可达高等级表面粗糙度；冷喷涂结合层强度较高，可达 100MPa以上，能够满足航空、航天等领域的负荷和长寿命要求。2 铝合金增材再制造技术分析 2.1 损伤评估与寿命预测 损伤评估阶段涵盖了多种检测和分析技术，用于识别和定量化铝合金零部件上可能存在的损伤。常见的技术包括非破坏性检测方法，如超声波检测、X 射线检测和磁粉检测以及破坏性检测方法，如金相显微镜检测，这些方法能够检测裂纹、气孔、疲劳损伤等各种缺陷，并提供有关损伤的尺寸、位置和形状等信息。通过对这些信息的综合分析，可以全面了解零部件的健康状况，为后续的寿命预测提供依据。性能评估是损伤评估的延伸，旨在确定铝合金零部件的力学性能、疲劳性能、热性能等方面的特性，这一阶段通常涉及材料测试、力学测试和环境试验等。通过在实验室环境中模拟零部件在实际使用条件下的工作状态，可以获取零部件在不同应力和温度条件下的性能数据，这些数据对于建立寿命模型、评估零部件在不同工作条件下的寿命稳健性非常关键。此外，在建立寿命模型方面，统计学和数学建模是常用的手段。通过分析损伤积累的数据，可以建立与零部件损伤程度和使用寿命之间的关系。寿命模型可以基于各种损伤机制，例如疲劳、腐蚀、应力腐蚀裂纹等，从而提供对零部件寿命的合理估计，这需要深入了解铝合金的材料行为、损伤机制的特点以及增材再制造过程中的影响因素。2.2 修复工艺选择与优化 修复工艺的选择是整个增材再制造过程中的关键步骤。根据铝合金零部件的损伤情况，可以选择不同的修复工艺，包括但不限于激光熔覆、电弧熔覆、电子束熔覆等。激光熔覆工艺通过高能激光的瞬时热源，使零部件表面局部熔化，再通过喷涂金属粉末实现材料的迅速凝固，从而形成涂覆层。电弧熔覆工艺则是利用电弧对金属材料进行熔化，通过喷涂和堆积的方式实现零部件表面的修复。电子束熔覆工艺则利用高速电子束的能量进行熔覆，具有高熔覆效率和较小的热影响区域。选择合适的修复工艺需要考虑到损伤类型、零部件材料、修复效果等多个方面。在具体的修复工艺中，优化可以从多个角度入手。一是，工艺参数的优化，包括激光功率、喷涂粉末流量、电弧电流等参数的调整，以确保修复层的致密性和精度。二是，金属粉末的选择也至关重要，不同的粉末具有不同的熔点和流动性，对修复效果有着直接的影响。此外，优化也可以包括工艺的自动化和智能化，通过引入先进的控制系统和传感器技术，实现修中国科技期刊数据库 工业 A-205-复过程的实时监测和调整。表 1 修复工艺选择与优化 修复工艺 材料特性 损伤类型 零部件结构 功能要求 修复效果 修复效率 修复成效 激光熔覆 铝合金 局部熔化 复杂结构 高精度、高强度 良好 中等 高 电弧熔覆 铝合金 局部熔化 简单结构 一般精度、强度 较好 高 中等 电子束熔覆 铝合金 局部熔化 复杂结构 高精度、高强度 优秀 低 高 3 铝合金增材再制造的应用与前景分析 随着科技的不断进步和对资源可持续利用的关注，铝合金增材再制造在航空航天、医疗设备等领域展现出了广泛的应用前景。首先，铝合金增材再制造在航空航天领域具有显著的应用潜力。航空航天工业对材料轻量化和零部件性能的要求极高，而铝合金以其优异的强度重量比成为首选材料之一。通过增材再制造技术，不仅可以实现损伤零部件的快速修复，还可以根据实际需求调整结构设计，提高零部件的性能。例如，飞机结构件、引擎零部件等可以通过增材再制造得到修复，减少材料浪费，降低维修成本，同时延长飞机的使用寿命。其次，在医疗设备领域，铝合金增材再制造也具备独特的应用优势。医疗设备通常需要高精度、复杂结构的零部件，而增材再制造技术可以精确控制材料的沉积，实现复杂结构的制造。例如，假体、骨科植入物等医疗器械可以通过增材再制造实现个性化设计，更好地适应患者的生理结构，提高手术成功率。此外，通过增材再制造可以更加灵活地满足医疗设备的定制化需求，推动医疗器械行业向智能化、个性化的方向发展。4 结束语 综上所述，铝合金增材制造及再制造技术以其独特的优势为现代制造业注入了新的活力。我们有信心，在不断的技术创新和产业合作的推动下，这一技术将会迎来更为广阔的发展空间。铝合金增材制造及再制造技术的发展，不仅将推动工业生产的升级，更为可持续发展目标提供了有力支持。参考文献 1贾传宝,宋亚东,王卫.金属材料电弧增材制造技术研究现状J.稀有金属,2023(05):633-646.2鲍芳芳,宗骁,冯新.钛铝合金增材制造技术专利分析J.中国科技信息,2022(10):19-21.3韩智,陈瑞,王宇.电弧熔丝增材制造技术研究进展J.特种铸造及有色合金,2021(11):1381-1386.4营梦,郭纯,李云,康泰宇.铝合金电弧增材制造技术研究发展现状J.金属加工(热加工),2021(07):20-25.5台经华.铝合金增材制造及再制造技术研究现状J.中文科技期刊数据库(引文版)工程技术,2022(11):5.